冠脉分叉病变及支架后再狭窄的血流动力学研究进展

3l卷3期 2012年6月 中国生物医学工程学报 ChineseJourn．alolBiomedicalEngineering 冠脉分叉病变及支架后再狭窄的血流动力学研究进展 VoI．31No．3 June2012 刘修健 蔺嫦燕+ (首都医科大学附属北京安贞医院北京市心肺血管疾病研究所，北京100029) 摘要：全球每年约有100万例经皮冠脉介入(PCI)治疗患者，其中分叉病变约占20％，而其支架后再狭窄率高达 30％。频繁的再狭窄不仅和支架与血管的变形、支架与血管顺应性不匹配有关。也和支架后局部血流动力学变化 引起的内膜增生有关。文中回顾了分叉冠脉的血流动力学研究发展，分析了分叉病变的血流动力学因素研究现 状，详细阐述了其支架后再狭窄相关的计算流体力学(CFD)研究进展。CFD研究为探讨分叉冠脉的血流动力学环 境与斑块形成、支架植入术与支架后再狭窄之间的关系提供了很好的技术手段，对临床医生理解斑块形成、工程师 改善支架结构设计技术起到一定的作用。 关键词：冠状动脉；支架后再狭窄；血流动力学；粥样硬化 中固分类号R318．08文献标志码A 文章编号0258H02112012103-0446-05 HemodynamieResearchProgressofCoronaryBifurcation LesionsandIn．StentRestenosis LILTXiu·JianLINChang—Yan‘ (Be#'ingfast,ateo，HeartLung＆BloodVeuelDhea,Ⅻ，成和19Anz梳Hospital，CapitalMedicalUni口enity．&咖增100029，Gh／na) Abstract：Approximatelyonemillionpatientsworldwideundergopereutaneouscoronaryintervention(PcI) eachyear．TreatmentofcoronarybifurcationlesionsiSinvolvedinabout20％ofthetotalnumberofPCI．and in—stentrestenosisrateOccursin30％ofthecasesfollowingtheprocedures．Recentinvestigationresultshove shownthatfrequentrestenosisisrelatednotonlytostentstructuraldeformationOrcompliancemismatch，but alsototheintimalhyperplasiainducedbylocalhemodynamicchanges．Thispaperreviewsthecoronary bifurcation’8hemodynamicstudyhistory，analyzesthehemodynamicfactorsinbifurcationlesions，andthe recentliteratureregardingcomputationalfluiddynamics(CFD)analysesofMoodflowthroughimplanted coronKITstents．CFDstudyprovidesagoodtechnicalmegnsforunderstandingtherelationshipamongthe hemodynamieenvironmentandplaqueformation，stentimplantationandrestenosis．Ultimately，thisinformation maybeusefulforclinicianstounderstandplaqueformationandengineerstoimprovedbifurcationstent designingtechniques． Keywords：coronary；in—stentrestenosis；hemodynamics；atherosclerosis 引言 冠心病是一种由于血管壁增厚和斑块形成而 导致管腔狭窄的心血管疾病，已证实的危险因素包 括吸烟、高血脂、高血压、糖尿病等⋯。但是这些危 险因素都不能直接解释为何冠状动脉分叉处和弯 doi：tO，3969／j．issn．0258-8021．2012．03．021 收稿日期：201卜11-27，录用日期：2012-03-09 基金项目：北京市自然科学基金(3112011) ·通信作者。 E-mail：libI@sina．㈣ 曲处更易形成斑块。自1969年Caro发现血流剪切 应力对动脉粥样硬化有影响的第一个证据以来H’， 目前人们普遍认为，血管壁面局部血流动力学作 用，特别是低剪切应力可能是分叉冠脉狭窄的关 键p’41。冠状动脉分叉处有其几何结构的特殊性， 主要表现为主支与分支问存在一定的角度。该几 万方数据 3期 刘修健，等：冠脉分叉病变及支架后再狭窄的血流动力学研究进展 何结构对局部血流动力学会产生一定影响，如分支 部位外侧壁剪切应力低，内皮细胞力学环境改变； 此处的血液流动易由层流变为湍流，血液中的微粒 (如低密度脂蛋白)与管腔表面接触时间延长，利于 脂质沉积和血小板聚集，从而损伤血管内膜，易于 形成冠脉狭窄”，。 临床上治疗冠脉狭窄常采用介人治疗，其中分 叉病变约占PCI总数的20％，不幸的是其支架内再 狭窄发生率高达30％”。1。即使在药物洗脱支架 (drug—elutingstem，DES)时代，冠脉分叉病变仍然 是PCI治疗领域最具挑战性的病变之一，其术后主 要不良心血管事件、支架后血栓和再狭窄率均较 高”廿1。最近研究表明，频繁的再狭窄不仅和支架 与血管的变形、支架与血管顺应性失配有关．也和 支架后局部血流动力学变化引起的内膜增生有 关”¨”1。本文从分叉冠脉特殊的几何结构出发．分 析影响分叉病变的血流动力学因素；并阐述近年与 分叉冠脉支架后再狭窄相关的计算流体力学研究 进展。 l 冠脉分叉部位的血流动力学特点 1．1冠状动脉的应力特点 冠状动脉血管壁主要受3种应力作用”1：1)径 向应力(血压)：充盈血液对单位面积血管壁的正向 压力；2)周向应力(环形张力)：充盈血流反复搏动 致使血管扩张而产生的张力；3)剪切应力：血赦流 动时对内皮细胞产生的沿轴向的张力。即血流对血 管内壁产生的摩擦力。其中．剪切应力是影响血管 壁内皮细胞形态、结构和功能的最重要的血流动力 学因素。文献[13]中，用平行平板流动腔体外培养 内皮细胞时，在12dyn／cm2高剪切应力作用下内皮 细胞呈长梭形，细胞长轴沿切应力方向排列；而内 皮细胞受2dyn／em2低剪切应力作用时，已定向的内 皮细胞就会发生重排，排列方向逐渐紊乱。 Chatzizisis等也发现，直管状动脉内皮细胞呈现椭圊 体状，并以同轴的形式沿血流方向排列；而在血管 分叉部位或弯曲处，内皮细胞的形状趋向多角形并 缺乏特定的排列方向““。 1．2冠脉分叉部位的血流特点 冠状动脉分叉部位的血液流态非常复杂．血流 易由稳定层流变为湍流、涡流，存在血流振荡甚至 停滞现象。体外模拟研究左主干末端分叉部位的 血流状况，如图1所示”“．水平观(上)血流直接冲 向分叉部位，中间的血流速度最快，而侧壁血流速 度较慢且存在涡流．斑块常见于这些血流速度较 慢，存在涡流的部位。长轴观察前降支及回旋支的 开口(中)，血流指向前降支弯曲的血管壁无心肌部 位，此处血流速度较快，而措着有心肌部位的血流 呈现典型的涡流且距离前降支开口较近的部位流 速迅速减慢。正交面观察回旋支(下)，可见回旋支 近端血流指向心外膜面，弯曲的半径小于前降支， 黟茂 圈1左主干束蠕分叉每位以水平琨寨l上)、长■魂● (中}和正交面琨察I下)的血藏特点”“lLMCA：左主千； LAD：左营辟支：LCX：左回境支l Fig．1Bloodflowcharacteristicsoftheendofthe-施 maincoronaryarterythroughhorieoninlplane(upper lineI．10nghatsviewl middleline)andorthogonalview Cbottomlinel。“1lLMCA：leftmaincoronaryartery； LAD：leftanteriordescendingartery：LCX：left circumflexartery) I．3分支血管藏■对斑块形成的影响 分支血管带走主干血管超过10％的血流时。会 对主干血管分叉处的血液流态产生重大的影响，如 图2所示”“。大量的血液被迫改变方向流人分支 血管，主干血管内就会形成涡流。这种流动分离的 现象会导致主干和分支的外侧壁形成低壁面切应 力区。主干流向分支的流量百分比是迄今为止预 测这种流动现象的主要指标之一”“。临床现象可 以与之相佐证，即冠脉分叉病变常见部位为前降支- 回旋支分叉处、回旋支-钝缘支分叉处。这些部位的 解剖结构是主分支直径大小相似．分支流量远远超 过主干血管10％的流量，因而易形成斑块。 1．4冠脉分夏角度对斑块形成的影响 冠脉分叉角度越大，分叉部位血管内外侧壁的 壁面切应力之差也越大。即不改变分支动脉流量 的大小．只增大分叉角度能使外侧壁的壁面切应力 变得更低。Friedman等研究了分叉角和内膜增厚之 间的关系，通过分析15例患者的23处分叉部位，发 ＆昏蔑 万方数据 中国生物医学工程学报 围2分支血管局部血流特征Ⅲ1 Fig．2Illustrationofflowpatternsintheregionofa branchingvessel【“l 现分叉角度影响血流动力学环境，且分叉角度与内 膜的最大厚度呈正相关．大的分叉角度可能会促进 内膜增厚，而导致脂质积累和动脉粥样硬化的 发生⋯1。 2分叉冠脉支架后的计算流体力学 研究 目前冠脉支架是治疗冠脉狭窄的首要手段，但 分叉冠脉支架后再狭窄率高又是医生不得不面临 的严重临床问题。运用CFD方法建立支架后冠状 动脉的个体化模型。是研究冠脉分叉处血流动力学 影响的主要手段之一，是现有分析分叉冠脉再狭窄 最为有效的方法之一”⋯。结合临床实际需求，人们 主要关注以下几个问题。 2．1支架变形与再狭窄 支架变形对血管内的血流动力学环境有影响。 Mortier等研究在正常分叉冠脉主支血管植入药物 洗脱支架后的应力分布情况”⋯。结果显示支架后 血管有明显拉直(图3(a))，且支架远端出口管腔 处周向应力明显较高(图3(b))，这表明支架变形 对植人支架段血管的血流动力学环境有影响。 Mortier研究还发现在主支植人一个支架或双支架 后．均会由于分支扩张而使支架明显变形”⋯。个别 地，双支架的变形会使得分支支架突人到主支管腔 中，而使局部的血液层流受阻破散，形成无规则的 非定常流动，甚至湍流。 2．2血管变形与再狭窄 对于冠脉分叉病变的单支架植入术，在主干植 人支架和分支血管成形术恢复分叉脊位置后，由于 分叉脊位置的重新定位会导致主干远端形成振荡 的低剪切应力区域。WiUiams等采用基于血管内超 声影像的CFD模型量化分析了分叉冠脉支架前后 血流动力学变化情况””，发现血管成形术前后，不 良区域的管腔总面积保持不变，这表明壁面剪切应 I；i| 2架腔骨腔 ＼_，一i ‘颦后忭脾 ＼； 1排从㈣ U 圈3支架檀入对周向应力分布的影响⋯。(_J支集后 血管的变形：(b)周向应力分布 F嘧．3 Theimpactofalentingoncircumferential alr--ias⋯．fa)Vasculardeformationafterstenting；(b) Cireum缸rentialiltre蚰distributioD 力的不良分布主要是由支架引起的血流动力学变 化所致．而不是血管几何形状的整体改变所致。同 时主干支架植入导致外侧壁的低壁面切应力区伴 随有明显的白细胞黏附、内膜增生和纤维蛋白沉 积，这和Richter等的观察结果”“一致。 2．3支架顺应性与再狭窄 根据临床观察，目前还没有一种理想的支架其 顺应性可以和正常血管相比拟，因此放置支架的病 变段血管与邻接两端的正常血管段之间，会出现顺 应性失配。顺应性失配不仅可影响脉动压力和血 流波在血管中的有效传递，部分血流波还可被折返 或弹回而引起血流紊乱”“，特别是支架植人的病变 段与两端血管在心脏收缩和舒张过程中的膨胀和 回缩的不一致性，会出现应力集中区。 2．4血流对药物洗脱支架药物分布的影响 主干支架植入及随后分支球囊扩张后分叉部 位形态变化导致血流动力学变化的同时，分叉附近 的扰流会对DES支架植入后药物分布产生影响。 Kolachalama等对一个理想的分叉冠脉模型主干的3 一i 万方数据 3期 刘修健，等：冠脉分叉病变及支架后再狭窄的血流动力学研究进展 个位置(侧支开口近端、横跨分叉人口和分叉脊远 端)分别植人DES支架，在不同的雷诺数条件下，研 究分叉处的血液流态对药物分布的影响，如图4所 示Ⅲ’。结果发现，血流通过分叉部位时分支外侧壁 产生的边界层分离和再附着会诱导药物沉积，特别 是把支架放置在开口近端时最明显，且药物沉积随 雷诺数的增加而减少。 开n近埘 擞跨丹里*¨ 开【】远端 泌N¨ 篓一 嚣 瞎 再狭窄””。目前．对双支架植入导致的无支架覆盖 区，还少有人运用流固耦合的方法进行研究，而随 着三维重建技术和CFD方法的发展，这无疑会成为 将来研究的热点之一。 剌对霄诺啦 (” 桨束：lb Fig．5 Theabsenceofthestruts_fkrtwostent implantation‘⋯．IalTstenting；lb)Crushstenting 田4血漉对DES支槊药袖分布的影响⋯。(a)支架檀3 展望 入位置i(b)莳铀浓度分布 Fk·4 Effectsof flowpatternonDES’5drug distribution‘⋯．IⅡlSte．ntposition；(b)Distrtbudonof drugconcentration 2．5无支架覆盖区与再狭窄 尽管已有的临床试验都证实双支架后再狭窄 率高于单支架⋯，但是，对于直径较大(>2．5mm) 的长病变，或分支血管心肌供血面积较大时，必须 采用双支架术。而双支架的植人带来的问题是无 支架覆盖区，而经典挤压支架术还会存在三层支架 重叠区，所有这些势必会对局部血流动力学环境产 生影响，增加再狭窄的发生率””。图5是常用的两 种双支架术的示意图”“。I临床结果证实，再狭窄多 发生于无支架覆盖区。Hu等基于真实个体化分叉 冠脉的三维几何模型．运用定常流、刚性壁模型，对 经典挤压支架术支架前后及8个月随访时分叉部位 的剪切应力分布状况进行了研究，发现术后即时分 支开口处的剪切应力分布和再狭窄有关，当剪切应 力很低时不形成再狭窄，而剪切应力较高时易形成 针对冠脉分叉病变支架后再狭窄率高的临床 问题，生物力学工作者做了大量的工作，探讨了与 再狭窄相关的许多因素，但是他们多是把血管壁假 设为刚性壁来进行研究。而随着研究的深入、医学 影像技术和CFD软件的发展，运用流固耦合模型对 分叉冠脉支架后进行CFD研究将是未来的发展 趋势。 参考文献 l】枥永宗动脉粥样硬化性心血管痛基础与临床[M】第二 版北京：科学出版社．2009：1l一28 2】 c哪cc，Fitz-Gerald埘．SehrotcrRcAIter埘wall日h札r肌d distributionofearlyathe∞mainm¨[J]Nature，1969．m (5211)：1159一1160 3]CecchiE．c·班Mic．VdenteS Roleofhemodyn脚ic日heⅡ m6inc“⋯uJ口d⋯[J]Athe—lemsis．2011，214 (2)：249—256 4 1 CaoCG Di啪veryoftheroleofwall“e¨in8me—lerosia [J]Arteri咖lerThumbV龇Bi01．2009，29(2)；158—161 5]CunninghamKS．GofliebAIThemkof8heⅡBEm6Binthe 万方数据 450 中国生物医学工程学报 31卷 [6】 [7】 [8】 [9] 【10] [11] [12】 [13] [14】 【15] [16] 【17] p她enasis0fatheroec|erosis[J]．LabInvest．2005，SS(1)： 9—23． 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